海洋立管涡激振动的基本理论、研究方法、影响因素及抑振方式的研究综述

王春光，郑润，李明蕾，何文涛

(1.山东理工大学 建筑工程与空间信息学院 山东 淄博 255049；2.山东省海洋工程重点实验室，山东 青岛 266100；3.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100)

自2021年以来,国际原油价格出现大幅上涨[1]。新冠疫情作为笼罩在全球经济发展上面的乌云开始散去,但经济复苏基础依然薄弱。被称为“工业血液”的石油是发展工业的重要动力,也是发展经济的重要资源。目前,陆地上的石油资源短缺的问题日益严重,据估算,地球上未被开采的海上石油储量的90%是在超过1 000 m水深的海底地层下[2],而中国海岸线绵延辽阔,深海面积十分广阔,海上油气资源丰富,通过加快海洋油、气开发,中国必将逐步摆脱油气资源对外依赖。

中国海洋石油勘探开发从沿海一隅到沿海集群作业,油气开发作业水深从100 m到如今的超3 000 m,海洋装备从最初的1艘钻井船发展到现在的61座钻井平台,实现了每年的海上原油产量从95 000 t到48 640 000 t的跨越。特别是十八大以来,深水钻井平台“海洋石油982”、海上移动式试采平台“海洋石油162”(图1)相继试验成功。中国的海洋油气勘探与开发进入了一个快速发展期,我们也提出了“走向深蓝”的战略口号,促进了海洋资源开发相关领域的研究。

图1 “海洋石油162”号

无论采用何种海洋资源开采平台,海洋立管均是不可或缺的结构物,而80%的深水油气事故与立管的疲劳损伤相关。立管的疲劳损伤主要是由外部环境与立管相互作用而产生的涡激振动所引起[3-4],因此在海洋工程领域,开展了大量的复杂海况下海洋立管涡激振动影响因素及抑振方式的研究。

1 海洋立管涡激振动的基本理论

海洋立管作为海洋油气开发从海底将油气输送到海面平台的重要通道,是海洋油气开发的重要组成构件。海洋立管在洋流作用下,在立管两侧尾流区发生交替泄涡,漩涡的生成和泄放相关联,立管受到横流向及顺流向的脉动水压力作用后将引发振动。在海流引发交替泄涡导致立管振动的同时,立管振动反过来又会影响海流的尾流结构,进而改变立管上的脉动水压力分布,这便是海洋立管的涡激振动现象(VIV)。涡激振动将导致立管疲劳破坏,不仅影响工程进展,而且可能产生严重的环境灾害,因此受到各国学者的广泛重视。

海洋立管的涡激振动源于Von Kármán发现的涡街效应[5],其受力原理和数值模拟如图2及图3所示。

图2 立管在涡街作用下受力示意图

图3 数值模拟卡门涡街[6]

对圆柱体绕流,交替脱落的单个漩涡的脱落频率f与绕流流体的速度v成正比,与立管直径d成反比,即得公式(1)[7]：

f=Sr(v/d),

(1)

式中Sr是斯特劳哈尔数。斯特劳哈尔数主要与雷诺数有关。雷诺数的物理意义是惯性力与黏性力的比值。

(2)

通过公式(2)的变形就可以直观的得出雷诺数Re的物理意义,雷诺数越小液体粘滞力影响大于惯性的影响,雷诺数越大液体惯性影响大于黏滞力的影响。当雷诺数数值达到300～3×105时,斯特劳哈尔数数值近似于常数值(0.21);当雷诺数数值达到3×105～3×106时,有规律的漩涡脱落现象便不再存在;当雷诺数数值大于3×106时,卡门涡街又会出现,这时斯特劳哈尔数约为0.27[8](图4)。

图4 不同雷诺数液体绕柱流动状态

当涡激振动的频率与物体的固有频率相接近,就会引起共振,甚至使物体损坏。除了雷诺数会影响涡激振动的出现外,圆柱体的质量比也会影响相同来流下涡激振动的振幅大小[9-10],影响涡激振动对立管损伤的程度。

当来流冲击立管圆柱体产生涡激振动后,会使立管在顺流向和横流向两个方向因为受力而产生震动,这两个方向上的力的大小可利用公式(3)[11]计算：

(3)

式中：Fx、Fy分别为立管受到的阻力和升力,D为圆柱直径,ρ为流体密度,Cd、Cl分别为阻力系数和升力系数,U为流体速度。

由此可见,相关研究需记录涡激振动作用下立管顺流向、横流向两个方向上的相关数据(图5)。

图5 双向受力监测

2 海洋立管涡激振动研究方法的发展

自卡门涡街现象被发现以来,海洋立管的涡激振动研究经历了从实验研究、理论模型分析、计算流体力学方法的应用等多个阶段。首先Feng通过圆柱体风洞试验验证了横向振动为主要振动的涡激振动的存在,Ferguson等[12]通过使用声学液位压力传感器的原始设计,发现了圆柱体漩涡激发振荡的表面和尾流现象。自此之后以海洋立管为代表的圆柱体的涡激振动特征研究不断通过水槽(水池)模型试验得以完成[5,7]。实验研究之外,各国学者还提出了经验模型以求解立管的涡激振动问题。首先,Hartlen等[8]开创性地建立了尾流振子模型的数学表达式;随后,各国学者通过数十年的努力和研究对尾流振子模型不断地进行改进和发展。Skop等[11,13]对此尾流振子模型进行扩展,将其应用到柔性细长柱体的涡激振动研究中。Kim等[14]以及Facchinetti等[15]则对此进行了进一步的修正和改进。而郭海燕等[16]则考虑了立管内流对立管涡激振动的影响。近年来,随着计算和存储技术的发展,越来越多的人开始转向利用计算流体动力学(CFD)技术解决VIV问题。通常CFD模型可以分为四类：离散涡方法(DVM),雷诺平均N-S方程(RANS)方法,大涡模拟(LES)方法以及 N-S方程直接模拟(DNS)方法。

3 影响涡激振动的相关因素

在海洋油气开发过程中,海洋立管从海底输送到海面的混合体成分包括油、气、水以及沙石等等,是复杂的混合物,在超长立管管道内输送由于内外流耦合作用下造成明显的周期性和压力波动特性的不稳定现象,以至于引起立管的振动[17-18]。为研究立管涡激振动的影响,考虑多因素影响的预测模型[3]以及考虑海洋环境参数的涡激振动特征研究[19]是必不可少的。图6展示了海洋立管配置情况,由此可见,海洋立管系统复杂多变,需考虑的设计参数及环境因素多样。

图6 水下海洋立管配置[20]

现在关于海洋立管的涡激振动研究正从之前的单因素研究发展到现如今的多因素研究。使海洋立管产生涡激振动的主要原因包括立管本身的材料特性、洋流流速、顶部张力、边界条件以及波浪等。葛士权等[21]通过利用ANSYS软件进行了多因素影响下的海洋立管涡激振动的三维计算流体动力学模拟(图7)。

大长细比是实际工程中很明显的一个特点,Wang等[22]针对大长细比立管模型在洋流作用下的涡激振动响应进行了实验研究。关于顶张力对立管在涡激振动中频率的影响方面,Yang[23]通过实验得出预张力的增加,组合激励下的顶部张紧提升管(TTR)的不稳定性会被抑制,但抑制效果的提升与预张力增加不成比例。李文华等[24]将立管简化为典型的 Euler-Bernoulli 弹性梁模型,根据传递矩阵理论得出表观重力和立管内外侧压力差引起的海洋立管轴向拉力的变化可影响立管本身固有频率的结论。张永波等[25]研究了顶张力对立管涡激振动的影响。柳军等[26]通过实验得出结论,在均匀流速条件下,立管的振动频率在顺流向条件下是横流向条件下的两倍,因此两个方向的影响相差不大,应该同时考虑两个方向的影响。殷布泽等[27]通过总结过往的海洋立管涡激振动实验提出要更加注重波浪对于海洋立管涡激振动的影响。李莹等[28]针对边界条件进行研究,对立杆端部应用铰接固接两种边界支座进行研究,发现其他参数相同时,两端铰接时立管的震动幅度大于立管两端固接时的震动幅度,Gao等[29]通过数值分析的方式研究得出在一定范围内立管长细比(L/D)越小,不同边界条件下的VIV位移差异越大。巫志文等[30]的研究中考虑建立随机波浪和涡流激励联合作用下海洋立管动力响应的数学分析模型,通过此模型进行随机波浪对立管涡激振动的影响进行研究。Wang等[31]进行了多因素实验,研究了立管材料、流速、顶张力和边界条件几个因素综合对立杆涡激振动的影响,但是并没有结合波浪的影响(表1)。

图7 数值模拟海洋立管变形情况[21]

表1 Wang 等进行多因素实验的工况[31]

通过结合新的实验方法[32],崔阳阳等[33]进行了多参数耦合作用下的海洋立管涡激振动实验,并基于灰色理论[34]实现了影响因素重要性排序,但该实验并没有考虑周期性波浪对于海洋立管涡激振动的影响。

4 涡激振动的监测和抑制方法

为抑制海洋立管由涡激振动引起的疲劳损伤,学者们在涡激振动抑制方面展开了广泛的研究。Rodriguez[35]通过改变物体形状和尾翼形状设计进行实验,探究形状对涡激振动的影响,但此实验的实验对象与环境模拟与海洋立管相差很大(图8)。

图8 Rodriguez实验试件与实验效果[35]

Owen等[36]进行了圆形柱体在不同雷诺数范围的涡激振动实验,并发现施加质量块后涡激振动可减少47%。娄敏等[37]通过实验发现在锁振状态下,通过敲击立管打破流体与结构之间的耦合关系可以达到抑制涡激振动的效果。王海青等[38]提出了在立管外部构造三种不同形状来达到抑制涡激振动的效果并进行了实验。Gao等[29]分析模拟得出对于具有小长径比的圆柱体,不同边界条件下的VIV位移存在明显差异。吴仕鹏等[39]通过在立管外添加螺旋板来研究其对于涡激振动的抑制效果,结果表明在高雷诺数来流情况下该装置能大幅降低立管疲劳风险。娄敏等[40]采用仙人掌形状截面的立管,通过数值分析得出在约化速度4～8范围能降低横顺两方向的振动幅值。李子丰等[41]采用羽翼状外包进行实验研究,发现加装该结构能有效减少圆柱后涡旋的产生。翟云贺等[42]提出一种双组双螺旋的装置,实验表明在当来流为对称流时,双组双螺旋装置能有效抑制涡激振动。沙勇等[43]通过实验对螺旋列板的几何参数对于涡激振动影响进行研究,为以后的相关研究提供了宝贵数据(图9)。齐娟娟等[44]提出了一种口型截面的三螺头螺旋导板,并进行了风洞试验,实验得出该装置对于大质量阻尼比圆柱有较好的抑制涡激振动的效果(图10)。睢娟等[45]利用外包毛绒进行风洞试验,得出绒毛长度增加,抑制效果越好的结论。王伟等[46]提出一种安装旋翼的方案,通过数值模拟得出随着旋翼旋转速度增加立管振幅减小。周阳等[47]利用带螺旋侧板的立管模型进行试验,结果表明该装置能够扰乱尾流涡旋,抑制涡激振动。

图9 含有保温层的立管螺旋列板的横截面[43]

图10 试验模型安装及螺旋导板模型结构示意图[44]

除了通过改变立管外包形状进行被动抑制,近些年也有学者提出通过主动对立管施加作用来进行主动抑制。Yang等[23]通过实验得出通过增加顶张力可以对涡激振动进行抑制,但抑制效果与力的增加成非线性关系。Wang等[48]利用雷诺数为100的合成射流进行涡激振动的抑制。Chen等[49]提出利用吸流法进行涡激振动的抑制。赵瑞等[50]提出通过施加端部激励来进行涡激振动的抑制,实验结果表明,频率比较小时,轴向力激励能降低涡激振动位移。Zhang等[51]针对具有顶部张力的柔性船舶立管系统控制立管振动进行研究,实验表明在适当的参数选择下系统具有良好性能。随着信息技术的发展,将计算机信息技术与实际工程结合成为近年学者们研究的方向, Wong等[52]提出可以利用神经网络结合使用Matlab中的LHS技术预测TTR短期涡激振动疲劳损伤的简化方法。高喜峰等[53]提出要利用BP神经网络预报柔性立管涡激振动横流向及顺流向位移和频率响应,随后Yu等[54]以及Yan等[55]利用了基于自适应神经网络的边界控制方法,以预测振动风险,从而及时采取对应抑振措施(图11)。

图11 BP神经网络结构

5 结束语

开发海洋油气资源已经成为中国缓解油气对外依赖的重要途径,而海洋立管作为海洋资源开发平台中不可或缺的重要组成部分,其涡激振动导致的疲劳破坏是重点研究和关注的领域。本文从海洋立管涡激振动的基本理论、海洋立管涡激振动研究方法的发展、影响涡激振动的相关因素、涡激振动的监测和抑制方法四个方面对海洋立管涡激振动的相关研究进行综述,由综述可知：

1)海洋立管的涡激振动研究方法经历了试验现象研究到理论与经验公式创建再到借助高性能计算机的计算流体力学研究的发展;同时,可以发现影响海洋立管涡激振动特征的因素包括顶部张力、海洋洋流(流速、流向等)、波浪特征(波高、周期等)、支承条件、立管长细比、立管材料以及内流的影响等。

2)对于海洋立管涡激振动特征的研究正由单因素研究向多因素耦合研究发展,但目前多因素耦合作用下的相关研究仍显不足。为了更加贴合实际工程,实现更安全、更高效的海洋油气的开发,多因素耦合作用下的海洋立管涡激振动研究将是未来研究的重要方向之一。

3)在海洋立管涡激振动抑制方法的研究中,研究者们发现改变立管质量、破除耦合关系、改变立管及其附加物形状、引入主动抑振手段等均可有效改善立管的涡激振动现象,其抑振研究经历由被动抑振到主动抑振再到利用先进监测及预测手段采取特定抑振方式及时介入的发展。

4)随着信息技术的发展,海洋立管监测控制系统将发展为利用信息采集及处理平台,结合主动控制技术实现其工作状态监测、故障发现以及主动控制的集中化、智能化系统。